Новая наука - гнотобиология

Сразу расшифруем термин "гнотобиология" - наука о безмикробной жизни. Считается, что сейчас ей около 10 лет. Так было решено на IX Международном микробиологическом конгрессе, проходившем в Москве в 1966 году. В то же время именно здесь полностью оправдывает себя древнее изречение, что "часто новое - это хорошо забытое старое". Во всяком случае, мысль о том, могут ли высшие организмы существовать без микробов, родилась почти одновременно с самой наукой о микробах - микробиологией. Первым этот вопрос сформулировал Пастер. Но сначала немного рассуждений.

Если вы спросите биолога-натуралиста, каковы, по его мнению, наиболее подходящие для живых существ условия существования, он, не задумываясь, ответит, что, конечно, условия естественные, в которых данный вид сложился и обитает. Однако каждый, кто занимался разведением животных или растений, знает, что для них можно создать (обычно так и бывает) условия воспитания, резко отличные от естественных. И это не вредит.

Наоборот, часто такие условия оказываются не только вполне пригодными для развития данного организма, но и даже более благоприятными.

И здесь встает простой вопрос: что понимать под условиями существования или, точнее, обитания в естественной среде? Обычный ответ: температура, влажность, освещенность, определенного типа пища, межвидовые отношения со своими "соседями" и т. д. И редко кто задумывается над тем, что одним из всеобщих и обязательных факторов условий естественной среды для любого существа, обитающего на нашей планете, является присутствие микроорганизмов. Микробы, если так можно выразиться, буквально пропитывают все более высокоорганизованные формы жизни.

Но до какой степени присутствие микробов необходимо для существования высших организмов? Должны ли мы всегда рассматривать микробов как злейших врагов, стремящихся погубить, разложить и уничтожить вышеорганизованные существа, или, наоборот, есть микроорганизмы не только полезные, а, быть может, и даже абсолютно необходимые для жизни животных и растений? Вот этот вопрос и предложил Французской академии наук в 1895 году Пастер. Сам он знал многое. Он знал, что большинство микроорганизмов, с которыми имел дело в своих исследованиях, попадая в организм человека или животного, как правило, вызывает заболевания, часто тяжелые и даже неизлечимые. И все-таки Пастер считал, что существование высших организмов вне окружающего их мира микробов невозможно.

"Я не скрываю, - писал он, - что, если бы у меня было время, я бы предпринял это исследование с предвзятой мыслью, что жизнь в этих условиях (безмикробных) невозможна". И Пастера не трудно понять. Ведь он хорошо знал, какое огромное значение для существования высших организмов имеют химические превращения, обеспечиваемые процессами брожения. Здесь ведь тоже работают микробы. И вполне естественно было полагать, что среди неисчислимого микробного населения нашего кишечника (143 миллиона бактерий на каждый миллиграмм содержимого) есть и виды, которые своим химическим действием обеспечивают организму усвоение пищи, а стало быть, и его существование. Короче говоря, вопрос стоял четко: могут ли высокоразвитые существа нормально жить и развиваться в безмикробной среде? Рассуждения здесь были бесполезны. Слово оставалось за экспериментом.

Самой первой попыткой в этом направлении были, по-видимому, опыты Тирфельдера и Нутталя, проведенные в 1895 году. Исследователи решили воспитать детенышей морской свинки, извлеченных из матки путем кесарева сечения, в абсолютно асептических условиях. Стерильность удалось соблюсти как при самой операции, так и при дальнейшем содержании животных. Питались морские свинки стерилизованным молоком. Опыт длился всего 10 дней, и результаты его можно было трактовать по-разному. Да, действительно, десять дней молодые морские свинки прожили в "безмикробном мире". Они не умерли. Мало того, они прибавили в весе. Но тут же выясняется: прибавили за счет... непереваренной пищи. Свернувшееся стерилизованное молоко заполнило их кишечник.

В общем первая экспериментальная попытка выяснить возможность безмикробного существования высших организмов четкого ответа не дала. "Живут?" - "Да".- "Сколько? - "10 дней". - "А могут ли больше?" - "Неизвестно!"

И почти в то же время другой экспериментатор утверждает категорически: "Млекопитающие организмы в безмикробной среде существовать не могут!"

...Шоттелиус работал с цыплятами. Исследование длилось несколько лет, потраченных главным образом на преодоление бесчисленных технических трудностей в постановке опытов. Но изобретательность и упорство победили: Шоттелиусу удалось добиться асептических условий выращивания. И что же? Воспитанные в таких условиях цыплята были слабыми. В своем развитии они намного отставали от контрольных. Чаще они просто погибали. Но эксперимент продолжается. Стоит только в пищу подопытных цыплят добавить микробов (Bacilus colli - кишечная палочка), как их самочувствие улучшается и развитие идет нормально. Тем более что вскоре госпожа Мечникова наблюдает такую картину по отношению к головастикам. В безмикробной среде развитие головастиков замедляется, и метаморфоза (превращения головастика в лягушку) у них не происходит. В контрольной же группе все идет нормально.

Итак, в конце XIX - начале XX веков эксперимент вроде бы сказал свое слово: предвидение Пастера было правильным. Мир микробов и мир существ более высокоорганизованных за многие тысячелетия взаимной эволюции и сосуществования обрели столь тесные узы, что разорвать их невозможно.

И все-таки в 1912 году Кохенди приходит к совершенно противоположному выводу. Работал он, как и Шоттелиус, с цыплятами, на которых еще Пастер указывал как на существа, самой природой созданные для подобного рода экспериментов. Ведь в яйце цыпленок развивается в миниатюрном мире, не содержащем других живых существ. Техника эксперимента у Кохенди была по тому времени довольно сложной и совершенной.

На 18-19-й день насиживания яйца брались из-под курицы, дезинфицировались теплым однопроцентным раствором сулемы и помещались в специальный аппарат. Это была относительно большая (более метра) камера, в которой специальная система поддерживала постоянный приток стерильного воздуха определенной влажности. Камера делилась на два отсека. Меньший, куда помещались яйца, играл роль искусственной наседки. Там поддерживалась температура 40 градусов. Второй отсек был для новорожденных цыплят как бы выгульным двориком, где они находили стерилизованную пищу. Здесь цыплята могли свободно бегать, пить воду, клевать зерна и время от времени греться около искусственной наседки. Температура внутри "дворика" была 24 градуса.

Вот в таких условиях Кохенди выращивал цыплят в течение 15, 20, 33, а в некоторых опытах и 40 дней. Конечно, исследователю хотелось провести эксперименты более длительные, но тут подводила техника. Несмотря на все совершенство, аппарат, сконструированный Кохенди, вскоре становился тесен для цыплят.

Но посмотрим результаты этих опытов. Повторностей было много, и во всех случаях выращенные в безмикробной среде цыплята оказывались по росту и весу то одинаковыми, то чуть выше, то чуть ниже контрольных. Разница была всегда в пределе обычных индивидуальных колебаний. Не отличались "безмикробные цыплята" от контроля и по своему анатомическому и физиологическому развитию.

Вообще из опытов Кохенди совершенно однозначно можно было заключить, что существование позвоночных животных возможно, по крайней мере некоторое время, при полном отсутствии микробов, причем эти условия не вызывают никаких нарушений в жизни и развитии организма. Однако, как ни доказательны были эти результаты, они все же не свидетельствовали о том, что организм может провести всю свою жизнь и размножаться в асептической среде. Правда, принципиально такая возможность вскоре была установлена французами Делькуром и Гюэно, но для... мушек дрозофил. Эти исследователи, использовав сложную и хитроумную аппаратуру и проработав несколько лет, получили многие тысячи совершенно стерильных насекомых на протяжении более чем 20 поколений. И они с полным правом могли утверждать, "что мухи эти могут развиваться, претерпевать превращения и размножаться в течение многих поколений без всякого участия микробов. Рост их не только совершается быстрее, чем в условиях неасептических контрольных опытов, но и смертность их чрезвычайно сокращается; почти все яйца, откладываемые мухами, дают насекомых, способных к размножению, тогда как при развитии в обыкновенных условиях смертность нередко настолько значительна, что может даже повести к исчезновению целых поколений".

Итак, если теперь распространить выводы, полученные в опытах над насекомыми, на позвоночных, то есть основания думать, что все животные могут жить и развиваться в безмикробных условиях. Да, но можно ли это делать? Мухи есть мухи, и до позвоночных им далеко. Для окончательного суждения нужны были новые, более доказательные эксперименты, а это прежде всего более совершенное их техническое оснащение.

Такую технику удалось создать лишь в середине нашего века. Основную роль здесь сыграли новые пластмассы и пластики, обеспечивающие надежный и удобный противомикробный барьер в камерах различных конструкций. Были разработаны и оригинальные методы стерилизации пищи, вплоть до применения ионизирующей радиации. Создатели безмикробных камер использовали и последние достижения электроники и автоматики, контролирующие и поддерживающие внутри камер стабильные и четко регулируемые условия среды (температура, влажность, газовый состав и т. д.).

Короче, почти все достижения технической мысли нашего века были использованы гнотобиологией. И может быть, действительно справедливо считать эти годы временем рождения гнотобиологии как самостоятельной научной дисциплины, имеющей свои цели и задачи, свой метод исследования, свою терминологию. Сейчас как за рубежом, так и в нашей стране созданы целые колонии безмикробных цыплят, крыс, морских свинок, мышей, мух дрозофил, кроликов. В некоторых колониях животные развивались до семнадцатого поколения. И ряды гнотобионтов (безмикробных животных) все время пополняются. Дошла очередь и до крупных млекопитающих. Сейчас получены безмикробные котята, телята, поросята, ягнята и даже... ослики. Выращиваются и безмикробные обезьяны. Как правило, все гнотобионты- млекопитающие развиваются так же хорошо и ведут себя так же активно, как и обычные животные. Правда, в безмикробных условиях крупные млекопитающие пока не размножаются, но это, как говорится, "вопрос голой техники". Все дело в размерах камер. Вообще же успехи гнотобиологии уже существенны.

И все-таки, по утверждениям американского биолога Т. Д. Лаки, это лишь ранняя фаза развития гнотобиологии как науки. Конец этой фазы младенчества он определяет 1972 годом. Лаки можно верить, так как он сам много сделал для зарождения (точнее - возрождения) гнотобиологии. Понятен и его прогноз столь точной даты, поскольку она совпадает с одним из этапов американской программы освоения космоса, в которой именно на 1972 год запланирована посылка межпланетного корабля. И пожалуй, не будет большой натяжкой, если сказать, что среди множества технических, астронавигационных и прочих проблем, связанных с полетами на другие планеты, проблема видового состава и количества микрофлоры в замкнутом пространстве космического корабля является одной из важнейших.

Будущий полет на Марс продлится более двух лет. А как поведут себя в это время микробы, населяющие кишечник человека? Чем должны питаться космонавты?

Известно, что различные питательные вещества оказывают большое влияние на состав микрофлоры и взаимодействие между различными видами бактерий - это доказал еще Илья Ильич Мечников. К тому же сейчас установлено, что у человека, изолированного в биологически ограниченной среде, уже через две недели после изоляции наблюдаются сдвиги кишечной флоры, причем в сторону патогенных форм. Кабина космического корабля представляет собой именно такое биологическое ограниченное пространство, полностью изолирующее находящиеся в нем организмы от внешней среды. Это самостоятельный, замкнутый микромир со своей воздушной микрофлорой, которая будет получена на Земле. А какие сдвиги произойдут среди микробов воздуха в космическом корабле во время длительного полета? Ведь среди микробного населения воздуха, кроме безобидных микроорганизмов, есть и болезнетворные. А может быть, состав воздушной микрофлоры должен быть заранее заданным микробиологами, готовящими полет, и строго определенным? А может, проще: сделать воздух вообще стерильным?

Стерильность...

Но тогда стерильной должна быть и пища космонавтов и они сами, то есть космонавты, должны стать гнотобионтами. А насколько это возможно? Нельзя же будущего космонавта растить в безмикробной камере с момента рождения до старта космического корабля. Может, давать космонавтам антибиотики? Какие?

На все эти вопросы должна ответить гнотобиология. Как они будут решены, мы, наверное, скоро узнаем. Во всяком случае, работы ведутся интенсивно. Предположительно можно сказать, что скорее всего внутри кабины космического корабля будет создан свой мир микробов, строго сбалансированный и контролируемый по видовому составу микрофлоры как самих космонавтов, так и окружающей их замкнутой среды корабля.

Но возможны и иные решения. В общем время покажет. Гнотобиология развивается быстро. Кстати, "космические" проблемы далеко не единственные, которые призвана решить эта наука.

Но сначала несколько слов о терминах. Термин "гнотобиологический" включает в себя и понятия "безмикробный" и те состояния, когда в организме присутствуют отдельные, известные экспериментатору виды микроорганизмов, при отсутствии всех других микробов. Для обозначения второго случая применяется термин "гнотофор". В гнотобиологии получены различные категории гнотофоров в зависимости от количества микробных видов, имеющихся в их организме. Наиболее простая система - "дибиотическая", когда один вид микроорганизмов находится в одном организме. Два вида микробов в организме обозначаются как трибиотическая система и так далее.

Изучение этих систем имеет очень большое значение для решения многих проблем как чисто микробиологических, так и общебиологических и медицинских. Помните проблему естественного и насильственного антагонизма микробов? А как недруги относятся друг к другу, попав внутрь организма? Или, наоборот, синергизм (содружество) микробов. Он проявляется во взаимном усилении воздействия на организм одного микроба другим. Известно много инфекционных заболеваний, вызываемых именно такими "дружескими" ассоциациями микроорганизмов. А как эти ассоциации складываются? В каких условиях и какой вид играет ведущую роль? Или, может, они равноправны и бороться надо сразу со всеми?

Четкие ответы на эти вопросы можно получить, лишь изучив трибиотическую систему (если речь идет о двух видах микробов). Исследование же дибиотических систем позволяет глубже понять механизмы иммунитета, так как здесь "в чистом виде" определены отношения высшего организма и заранее данного (а главное, единственного) вида микроорганизмов.

Используются гнотобиологические животные и в вирусологических исследованиях, при изучении вирусной природы рака и других вирусных заболеваний. В общем гнотобиотические животные - прекрасная, если не сказать, идеальная модель для решения самых разнообразных проблем медицинской микробиологии, модель, значение которой трудно переоценить. Ведь таким путем исследователи получают в руки еще один инструмент, позволяющий проникнуть в тайны мира микробов, и, что самое главное, именно микробов болезнетворных. А ведь узнать во всех деталях, как эти микроорганизмы взаимодействуют друг с другом и организмом высшим, - это значит получить ключ к созданию новых, более действенных способов борьбы с ними.

Ну, а если теперь вернуться к вопросу, с которого начался наш рассказ о гнотобиологии: не следует ли человечеству стремиться к тому, чтобы вообще уничтожить мир микробов и войти в новую "безмикробную эру" существования? Ответ может быть лишь один: нет, не следует, не следует хотя бы потому, что болезнетворные микробы составляют лишь малую часть представителей этого огромного и еще недостаточно познанного мира (в этом вы убедитесь из последующих очерков). Однако ликвидировать всех патогенных микробов, ликвидировать инфекционные болезни человечество может и должно. Оно к этому стремится, и так будет! Залог тому успехи микробиологии, о которых мы здесь рассказали.

В борьбе между миром микробов и миром людей победит человек. К сожалению, однако, путь этот не гладок, и виноваты здесь сами люди, но это уже тема следующего очерка.